mmWave란 무엇인가?

mmWave에 대해 이야기하기 위해서는 전자기파(Electromagnetic Wave)에 대한 이해가 먼저 필요하다. 전자기파에 대해 설명하려면, 끝이 없기 때문에 추후에 다시 언급하고 이번 글에서는 간단하게만 설명을 할 것이다. 우리 눈에는 보이지 않지만, 빛과 전파는 직선으로 전달되지 않고 파동의 형태로 나아간다. 전기가 흐르게 되면, 전기장과 자기장이 발생을 하는데(맥스웰 방정식 참고) 이들이 주기적으로 바뀌며 전달되는 파동을 전자기파라고 한다. 참고로, 전기장과 자기장은 항상 서로 90도를 이룬다.

 

전자기파의 발생

 

전자기파의 분류

전자기파는 파장의 길이(Wavelength)에 따라 크게 감마선, X선, 가시광선(빛), 적외선, 전파(초고주파, 고주파, 저주파)로 구분할 수 있다. 

 

• 감마(Gamma)선 : 핵반응과 원자폭탄에서 발생하는 매우 위험한 광선이다. 가장 높은 주파수를 가지고 있으며, 파장의 길이는 10억분의 1cm이다. 
• X선 : 인체를 통과하는 특징을 가지고 있고, 우리가 흔히 알고 있는 X-ray 사진 및 의료, 공업기술 분야에 활용된다. . 
• 자외선 : 지구표면에 도달하는 태양광선의 일종으로, 파장의 길이가 200~400nm 사이이며, 인간의 피부에 다양한 광생물학적 반응을 유발한다. 살균이나 태닝할 때 활용된다. 
• 가시광선(빛) : 사람이 눈으로 볼수 있는 파장으로, 광통신에 주로 사용된다. 
• 적외선 : 사람 눈에 거의 보이지 않고, 인체에 무해해 적외선 사진 건조, 전기히터 등 다양한 범위에서 사용된다. 
• 전파(Radio Wave) : 텔레비전, 라디오, 이동통신 등 통신에서 주로 사용하는 전파이다. 

주파수와 파장의 관계

주파수(Frequency)란 1초 동안 진동하는 파동의 횟수를 의미하며, 단위는 Hz이다. 예를 들어 120Hz란, 1초에 60번 파동이 진동한다는 뜻이다. 파장(Wavelength)은 일정한 파동이 주기적으로 반복하며 진행할 때, 파동의 Peak와 Peak 사이의 거리를 의미한다. 주파수와 파장은 반비례의 관계를 갖는다. 즉, 주파수가 크다는 의미는 파장이 짧다는 의미이다. 데이터는 전파를 통해 전달이 되는데, 데이터의 특성에 따라 파동의 Amplitude, Phase 등이 달라진다. 아날로그 신호일 때는 파동을 통해 데이터를 알 수가 있는데, 우리는 아날로그 신호만 사용하지 않는다.

 

우리가 전화를 하고, 음악 감상을 하는 것 전부 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호이다. 컴퓨터의 언어는 0과 1로만 이루어져 있기 때문에  아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 다시 아날로그 신호로 변환하여 출력해주어야 한다. 이 과정을 변조(Modulation), 복조(Demodulation)이라고 한다. 추후에 모듈레이션 관련하여 다시 언급하도록 하겠다. 

 

 

주파수가 높을 수록(=파장이 짧을 수록), 시간 안에 더 많은 파동을 전달할 수 있기 때문에 더 많은 데이터를 전송할 수 있다. 하지만 고주파가 무조건적으로 좋은 것은 아니다. 저주파에 비해 고주파는 반사, 굴절, 왜곡 등이 쉽게 발생하여 안정적이지 못한 특징이 있다. 멀리 가지못할 뿐만 아니라 벽이나, 구름, 물방울에서도 변형이 이루어 지기도 한다. 이게 바로, 5G의 커버리지가 4G의 커버리지에 비해 월등히 작은 이유다. 

mmWave(밀리미터파)가 무엇인가?

결론부터 말하자면, 파장의 길이가 10mm이하인 파장을 mmWave라고 한다. 하단의 주파수와 파장의 관계식을 통해 알 수 있듯이 mmWave는 30GHz부터 시작임을 알 수 있다. 하지만, 5G에서는 파장의 길이가 10mm가 약간 넘는 24GHz부터 mmWave라고 지칭한다. 

 

• Frequency=c/lambda : 3*10^8(m/s)/0.01m = 3*10^10 = 30GHz

진짜 5G의 시작은 mmWave부터라는 이야기도 있다. 그렇다면 mmWave가 5G에서 중요한 이유는 무엇일까? 현재 상용화된 5G는 6GHz이하의 Sub-6Hz(3.5GHz, 280MHz) 대역을 사용하고 있다. 하지만, 초연결, 초저지연, 초고속의 특징을 가지는 5G 서비스는 mmWave 대역에서 지원한다. 이미 저대역의 주파수는 포화상태이고, 데이터의 수요는 기하급수적으로 증가하고 있다. mmWave 대역은 Sub-6 대역 대비 8배 넓은 대역폭을 가지고 있다. 이미 mmWave를 활용하는 다양한 5G 서비스를 통해 사용자를 끌어모으고 있는 타 국가에 뒤쳐지지 않기 위해서는 mmWave 개발이 서둘러 필요하다. 위에서 잠깐 언급했듯이, 주파수가 높아지면 커버리지가 작아지게 된다. 그 말은 즉슨, mmWave가 커버할 수 있는 cell은 매우 작다는 것을 의미하고 더 많은 기지국이 필요하다. mmWave의 상용화를 위해서는 이 약점에 대해 어떻게 해결할지가 매우 중요할 것이다.